1995-2016年三岔河上游土地利用變化對(duì)徑流的影響

田仁偉， 趙翠薇， 賀中華， 徐志榮

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 貴州 貴陽 550025)

隨著全球變化研究的深入，土地利用/覆被變化與水文過程的相互作用成為全球生態(tài)與環(huán)境研究的熱點(diǎn)和前沿問題之一[1-2]。土地利用/覆被變化(LUCC)的重要環(huán)境效應(yīng)，是以水文效應(yīng)的形式而體現(xiàn)[3]，LUCC對(duì)流域水量的影響是這一效應(yīng)最迅速、最直接的表現(xiàn)[4]，對(duì)流域生態(tài)環(huán)境具有重要影響[5]。降雨是徑流產(chǎn)生的一個(gè)必要條件，降雨的多少會(huì)直接影響徑流的大小，但有降雨不一定能產(chǎn)生徑流，下墊面性質(zhì)是影響徑流產(chǎn)生的一個(gè)充分不必要條件[6]。土地利用變化引起下墊面性質(zhì)的改變，會(huì)影響地表截留、填洼、下滲、水分蒸發(fā)等過程，對(duì)徑流產(chǎn)生過程有顯著影響[7]。不同地類的涵養(yǎng)水源能力差異較大，主要表現(xiàn)為：水域>林地>草地>耕地>建設(shè)用地>未利用土地[8]。國(guó)內(nèi)外大多數(shù)研究認(rèn)為植樹造林會(huì)使年徑流減少[9]，流域土地利用結(jié)構(gòu)變化對(duì)徑流的變化具有顯著影響[10-13]。

黔中地區(qū)因地處兩江分水嶺河源地帶、巖溶地貌發(fā)育強(qiáng)烈、水土流失嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境較為脆弱的山區(qū)，山高谷深水源低，雨多水少不易蓄，坡陡土薄涵水弱，水資源開發(fā)利用難度大，且水資源時(shí)空分配不均，人均水資源量少。作為貴州省經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)，用水需求較大，缺水成為限制其發(fā)展的首要問題[14]。三岔河上游流域作為黔中水利樞紐工程的水源區(qū)，對(duì)整個(gè)黔中地區(qū)水資源的分配起到至關(guān)重要的作用，從烏江上游三岔河取水的黔中水利樞紐工程是為解決該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水而建設(shè)的重要調(diào)水工程，可緩解黔中地區(qū)用水緊張問題[15-16]。目前對(duì)三岔河上游流域的研究主要有以下幾方面：侯文娟等[17]基于SWAT模型模擬了烏江三岔河生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)流服務(wù)及其空間變異特征；張一鳴等[18]對(duì)三岔河上游近50 a降水徑流變化特征進(jìn)行了研究；侯祎亮等[19]對(duì)貴州省三岔河流域水化學(xué)特征及其控制因素進(jìn)行了研究；焦樹林等[20]研究了三岔河流域水文特征與化學(xué)風(fēng)化碳匯效應(yīng)。以上研究多是對(duì)三岔河上游流域徑流變化或水質(zhì)狀況進(jìn)行單一研究和分析，在土地利用變化對(duì)徑流影響方面研究較少，且此項(xiàng)研究對(duì)于流域水資源的利用和調(diào)配具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。因此，本文選取黔中水利樞紐工程水源區(qū)——三岔河上游流域作為研究區(qū)，采用回歸分析的方法分析1995—2016年三岔河上游流域降雨和徑流的演變過程，并結(jié)合降雨和徑流的結(jié)果模擬，探討降雨和土地利用變化對(duì)徑流的影響，以期為預(yù)測(cè)未來流域水資源變化規(guī)律和黔中水利樞紐工程水資源的調(diào)配提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

三岔河為烏江南源一級(jí)支流，位于104°18′—106°18′E，26°10′—27°00′N之間，流域面積7 264 km2。三岔河發(fā)源于貴州高原西部烏蒙山，流經(jīng)貴州省畢節(jié)地區(qū)、六盤水市、安順市，河流全長(zhǎng)325.6 km，其中流域內(nèi)95%為山地和丘陵[21]。流域地勢(shì)西高東低，海拔在911～2 330 m之間，大部分地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，氣候濕潤(rùn)溫和、雨量充沛，年均降水量為1 300 mm。三岔河上游流域處在貴州省西北部，位于104°19′—105°31′E，26°11′—27°00′N之間，流域面積為3 754.89 km2，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，流域土地利用類型主要以林地、耕地、草地以及建設(shè)用地為主，其中林地的面積比例較大，其次是耕地和草地，建設(shè)用地、未利用土地和水域的面積比例較小。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來源于《貴州省生態(tài)環(huán)境十年(2000—2010 年)變化遙感調(diào)查與評(píng)估》及《貴州省2016年生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)》數(shù)據(jù)，分辨率為30 m的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)。根據(jù)LUCC分類系統(tǒng)，將研究區(qū)土地利用類型合并為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、未利用土地和水域6個(gè)一級(jí)地類。

降雨數(shù)據(jù)取自流域內(nèi)3個(gè)雨量站(二塘、南開、付家寨)和3個(gè)水文站(向陽、陽長(zhǎng)、龍場(chǎng)橋)提供的1995—2016年月平均降雨數(shù)據(jù)。徑流量用年徑流深表示，數(shù)據(jù)來源于三岔河上游龍場(chǎng)橋水文站1995—2016年的實(shí)測(cè)月平均徑流資料。

2.2 研究方法

2.2.1 研究區(qū)范圍及水系的提取 采用ArcGIS Desktop提供的水文分析工具Hydrology進(jìn)行流域河網(wǎng)水系特征信息的提取，主要的內(nèi)容包括DEM數(shù)據(jù)填洼、計(jì)算水流方向、計(jì)算柵格單元累積匯流量、生成流域河網(wǎng)水系4方面[22]。具體流程如圖1所示。

圖1 基于Hydrology水文分析工具提取河網(wǎng)水系流程

2.2.2 降雨和徑流的回歸分析 以黔中水利樞紐平寨水庫的修建時(shí)間將流域降雨與徑流演變過程劃分兩個(gè)階段，第一階段(1995—2010年)，第二階段(2010—2016年)。采用一元線性回歸方程對(duì)降雨和徑流進(jìn)行分析，檢驗(yàn)降雨和徑流的相關(guān)性。具體數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

y=a+bx

(1)

式中：y——年平均徑流深(mm)；x——年平均降雨量(mm)。

2.2.3 土地利用動(dòng)態(tài)變化 采用變化量和變化幅度兩個(gè)土地利用動(dòng)態(tài)指標(biāo)表征土地變化狀況。變化量表示某種土地利用類型在前后兩個(gè)時(shí)期內(nèi)的面積數(shù)量變化的大小，土地利用變化率指某種土地利用類型的變化量占其在研究初期面積的比率，反映土地利用類型變化的劇烈程度[23]。具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

ΔS=Sb-Sa

(2)

K=(Sb-Sa)/Sa×100%

(3)

式中：Sa，Sb——研究初期和末期某種土地利用類型的面積數(shù)量(km2)； ΔS，K——研究時(shí)段內(nèi)某種土地利用類型的變化量和變化率(%)。

2.2.4 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是定量研究土地利用類型間相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量和方向的主要方法，能具體反映土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征和各類型間的轉(zhuǎn)移方向[24]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化

流域土地利用類型主要以林地、耕地和草地為主，還有少量水域、建設(shè)用地和未利用地，3種主要土地利用類型面積之和占流域總面積的比例在4個(gè)時(shí)期分別為97.17%，97.11%，96.91%，95.31%，動(dòng)態(tài)變化不顯著(如圖2所示)。2000—2016年，流域土地利用結(jié)構(gòu)變化較為顯著，其中林地面積占流域總面積在4個(gè)時(shí)期的比例依次是37.57%，37.97%，38.93%，40.98%，所占比例呈持續(xù)上升的趨勢(shì)；草地面積呈持續(xù)上升的趨勢(shì)，所占比例依次為20.43%，21.20%，21.52%，22.95%；建設(shè)用地所占比例依次為1.64%，1.70%，1.90%，3.80%，呈持續(xù)增加趨勢(shì)；耕地面積呈持續(xù)下降趨勢(shì)，所占比例依次為39.17%，37.94%，36.46%，31.38%；水域和未利用地面積所占比例較小，且變化不明顯。

圖2 三岔河上游2000-2016年土地利用結(jié)構(gòu)變化特征

流域土地利用的轉(zhuǎn)移矩陣如表1所示。2000—2005年，土地利用變化趨勢(shì)主要是耕地向草地、林地、建設(shè)用地分別轉(zhuǎn)移了28.98，15.09，2.04 km2，轉(zhuǎn)移率為1.97%，1.03%，0.14%。2005—2010年，草地向林地轉(zhuǎn)移了9.38 km2；耕地向草地、林地和建設(shè)用地分別轉(zhuǎn)移了21.32，26.96，7.64 km2，轉(zhuǎn)移率分別為1.50%，1.87%，0.54%。2010—2016年，土地利用變化的主要趨勢(shì)是草地分別向耕地、林地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)移了194.65，294.40，38.05 km2，轉(zhuǎn)移率為24.09%，36.38%，4.71%；耕地向草地、林地和建設(shè)用地分別轉(zhuǎn)移了304.76，330.41，48.14 km2，轉(zhuǎn)移率為22.26%，24.13%，3.52%；林地向草地、耕地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)移了259.34，283.63，22.5 km2，轉(zhuǎn)移率為17.74%，19.40%，1.54%。

表1 2000-2016年三岔河上游土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.2 降雨與徑流的變化趨勢(shì)分析

1995—2016年，三岔河上游流域年平均降雨量為1 088.40 mm，年平均徑流深為911.45 mm。其中，年平均降雨量是根據(jù)流域內(nèi)3個(gè)雨量站和3個(gè)水文站提供的1995—2016年月平均降雨數(shù)據(jù)計(jì)算而得，年平均徑流深用龍場(chǎng)橋水文站實(shí)測(cè)月平均徑流資料計(jì)算而得。

利用Mann-Kendall秩次相關(guān)法來檢驗(yàn)?zāi)陱搅骱徒邓淖兓厔?shì)[25]。Mann-Kendall法的統(tǒng)計(jì)量τ和標(biāo)準(zhǔn)化變量U的計(jì)算公式為:

(4)

(5)

(6)

式中：P——x1,x2,… ,xn系列中所有對(duì)偶值(xi,xj,j>i)中xiU(0.05，2)=1.96，說明年降雨的下降趨勢(shì)較為顯著(圖3)。從二者的多年距平百分率變化情況看(圖3)，二者的波動(dòng)情況不一致，年徑流的波動(dòng)幅度大于年降水的波動(dòng)幅度。可見，降雨是引起徑流變化的主要因素，但其他因素在一定程度上對(duì)徑流的變化造成一定的影響，主要表現(xiàn)為人類活動(dòng)影響下的土地利用變化對(duì)徑流產(chǎn)生的影響。

根據(jù)平寨水庫的修建時(shí)間，將流域降雨和徑流的演變過程劃分為兩個(gè)階段，對(duì)第一階段(1995—2010)年和第二階段(2010—2016)年的降雨和徑流進(jìn)行回歸分析，結(jié)果顯示，1995—2010年，降雨和徑流存在顯著的線性回歸關(guān)系，表明降雨是徑流形成的主要原因；2010—2016年間，降雨和徑流之間的顯著性降低，表明降水對(duì)徑流的影響作用下降。

根據(jù)表2的方程，進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)后，對(duì)徑流進(jìn)行假設(shè)與模擬，假設(shè)在兩個(gè)時(shí)期內(nèi)降雨量均為1 200 mm，運(yùn)用表2的回歸方程進(jìn)行模擬，所得出兩個(gè)時(shí)期的y值分別為1 097.534 mm和875.561 mm，實(shí)測(cè)值分別為1 055.4 mm和794.07 mm，模擬值與實(shí)測(cè)值之間具有一定的差距，說明除了降雨對(duì)徑流的影響外，還有其他因子對(duì)徑流有影響，主要表現(xiàn)為：人類活動(dòng)影響下的土地利用結(jié)構(gòu)變化在一定程度上對(duì)徑流的變化產(chǎn)生影響，以及黔中水利樞紐工程平寨水庫的修建對(duì)流域水量平衡的調(diào)節(jié)作用對(duì)徑流變化帶來的影響。

圖3 1995-2016年降雨和徑流的變化趨勢(shì)表2 降雨和徑流之間的回歸方程

年 份回歸方程變量解釋相關(guān)檢驗(yàn)R1995—2010y=1.2x-342.466y,x分別為年平均徑流量和降雨量R=0.917**2010—216y=0.772x-50.839y,x分別為年平均徑流量和降雨量R=0.641

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))顯著相關(guān)。

3.3 土地利用變化對(duì)徑流的影響

根據(jù)2000年、2005年、2010年和2016年4期的土地利用動(dòng)態(tài)變化指標(biāo)和轉(zhuǎn)移矩陣(表1和表3)，分析土地利用變化對(duì)徑流的影響，分析結(jié)果如下。

(1) 2000—2016年徑流總體呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)。1995—2010年，流域土地利用類型主要以林地、耕地和草地為主，3種土地類型面積之和分別占3個(gè)時(shí)期流域總面積的97.17%，97.11%，95.31%，土地利用結(jié)構(gòu)變化較為明顯，主要變化趨勢(shì)為林地和草地面積增加，耕地面積逐漸減少，導(dǎo)致流域降雨截留能力增強(qiáng)，產(chǎn)流能力降低，是除降雨對(duì)徑流的影響外造成徑流持續(xù)減少的主要原因。2010—2016年，流域土地利用結(jié)構(gòu)變化明顯，主要表現(xiàn)為林地和草地的增加，耕地和未利用地的減少，表明生態(tài)環(huán)境得到改善，水源涵養(yǎng)能力得到增強(qiáng)，是使徑流大幅減少的主要原因。此外，黔中水利樞紐工程平寨水庫的修建對(duì)地表徑流有較強(qiáng)的攔蓄和調(diào)節(jié)水作用，在一定程度上造成徑流減少。

表3 不同時(shí)期土地利用類型變化量與變化率

(2) 2000—2005年間，降雨和徑流呈持續(xù)下降的趨勢(shì)，徑流從1 194.00 mm下降到676.59 mm，變化幅度較降雨要大，為517.41 mm。流域內(nèi)土地利用變化的主要趨勢(shì)是草地和林地面積增加，變化量分別為27.98，15.09 km2，變化率為3.78%和1.07%；耕地面積減少46.12 km2，變化率為-3.14%；建設(shè)用地增加了2.04 km2，變化率為1.64%。耕地向草地、林地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換是流域內(nèi)土地利用變化的主導(dǎo)過程，轉(zhuǎn)移量分別為28.98，15.09，2.04 km2，轉(zhuǎn)移率為1.97%，1.03%，0.14%。土地利用結(jié)構(gòu)的變化使流域?qū)涤甑慕亓糇饔眉訌?qiáng)，特別是林地和草地的增加，削弱流域產(chǎn)流能力，導(dǎo)致徑流持續(xù)下降。2005—2010年間，降雨和徑流總體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，兩者變化幅度都較大，降雨和徑流分別864.07～1 259.00 mm和676.59～1 142.30 mm之間變化，但徑流的變化更為顯著，變化幅度較降雨要大，為465.71 mm。期間流域草地和林地面積分別增加11.93，36.08 km2，變化率為1.5%，2.53%；耕地面積減少55.64 km2，變化率為-3.91%；建設(shè)用地面積增加7.64 km2，變化率為12%。耕地向草地、林地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化構(gòu)成流域土地利用變化的主導(dǎo)過程，轉(zhuǎn)移量分別21.32，26.69，7.64 km2，轉(zhuǎn)移率分別為1.50%，1.87%，0.54%；草地向林地轉(zhuǎn)移了9.39km2，轉(zhuǎn)移率1.18%。由此可知，流域建設(shè)用地面積的大幅增加，導(dǎo)致地表不透水面面積的擴(kuò)大，一方面增強(qiáng)流域的產(chǎn)流能力，另一方面削弱地表對(duì)降雨的截留作用及水源涵養(yǎng)能力，導(dǎo)致徑流變化幅度增大。

2010—2016年間，降雨和徑流的變化趨勢(shì)基本一致，總體呈下降趨勢(shì)，降雨在831.15～1 241.40 mm之間變化，徑流在531.33～997.70 mm之間波動(dòng)變化，變化較為顯著，下降幅度較降雨要大，為466.37 mm。期間流域土地利用結(jié)構(gòu)變化較為明顯，主要表現(xiàn)為：草地和林地面積分別增加136.77 km2和79.71 km2，變化率為16.93%和5.25%；建設(shè)用地增加71.31 km2，變化率為100.03%；耕地減少190.70 km2，變化率為-13.93%；未利用土地減少了31.19 km2，變化率為-83.97%。草地向耕地、林地、建設(shè)用地和水域的轉(zhuǎn)化和耕地向草地、林地、建設(shè)用地和水域的轉(zhuǎn)化以及林地向草地、耕地、建設(shè)用地和水域的轉(zhuǎn)化構(gòu)成流域土地利用變化的主導(dǎo)過程。林地、草地面積的持續(xù)增加以及未利用地的減少，表明流域土地利用結(jié)構(gòu)變化狀況逐漸轉(zhuǎn)好，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到提高，對(duì)降水的截留作用及對(duì)水源的涵養(yǎng)作用進(jìn)一步增強(qiáng)，導(dǎo)致產(chǎn)流能力下降，流域土地利用變化是除降雨對(duì)徑流的影響外，造成徑流大幅減少的主要原因。此外，黔中水利樞紐工程平寨水庫的修建：一方面使流域水域面積增加20.12 km2，流域水源涵養(yǎng)作用得到增強(qiáng)；另一方面，水庫的修建具有較好攔蓄地表徑流和調(diào)節(jié)水量平衡的作用，豐水期防止極端徑流的出現(xiàn)，降低洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，平水期為下游地區(qū)提供灌溉水源，枯水期可以起到涵養(yǎng)水源和儲(chǔ)存水量的作用，在一定程度上對(duì)徑流減少具有重要影響。另外，水庫的修建和生態(tài)環(huán)境的改善對(duì)流域水量的調(diào)節(jié)和水源的凈化具有重要意義。

4 結(jié) 論

1995—2016年，三岔河上游流域降雨和徑流總體呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢(shì)。1995—2005年(第一階段)流域年降雨和徑流呈持續(xù)下降的趨勢(shì)，徑流的下降幅度比降雨大，從1 194.00 mm下降到676.59 mm，下降幅度為517.41 mm，期間流域土地利用結(jié)構(gòu)變化較為明顯，草地和林地分別增加了3.78%，1.07%，耕地減少3.14%，除受降雨對(duì)徑流影響外，土地利用變化是導(dǎo)致徑流持續(xù)減少的主要原因。2005—2010年徑流呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，變化幅度較降雨要大，為465.71 mm，期間建設(shè)用地增加了12%，是造成徑流大幅變化的主要原因。2010—2016年(第二階段)降雨與徑流的變化總體呈下降趨勢(shì)，徑流在531.33～997.70 mm之間波動(dòng)，且變化幅度較降雨要大，為466.37 mm，期間流域土地利用結(jié)構(gòu)變化較為明顯，草地和林地分別增加了19.93%，5.25%，耕地和未利用土地分別減少13.93%，87.97%，表明流域態(tài)環(huán)境逐漸改善，對(duì)降雨的截留作用增強(qiáng)，導(dǎo)致徑流大幅減少。此外，黔中水利樞紐工程平寨水庫的修建對(duì)徑流具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用，在一定程度上對(duì)徑流減少具有重要作用。

基于降雨和徑流演變的回歸分析模擬試驗(yàn)，結(jié)合土地利用動(dòng)態(tài)變化指標(biāo)和轉(zhuǎn)移矩陣，定性和定量研究土地利用變化對(duì)徑流的影響，其結(jié)果具有一定的參考意義。但由于水文過程的復(fù)雜性，所涉及的因素較多，研究所選取降雨和土地利用變化兩個(gè)影響因子，雖然在一定時(shí)間段上能定性和定量分析土地利用結(jié)構(gòu)變化對(duì)徑流所產(chǎn)生的影響，但在預(yù)測(cè)未來土地利用狀況對(duì)徑流的影響上存在一定的難度，需要進(jìn)一步的完善。